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Electrodos de oro, plata y Ag/AgCl para sensores médicos
Tipos de electrodos y sus aplicaciones
El oro, la plata y la combinación Ag/AgCl conducen las señales minúsculas que captan los sensores médicos. Sin embargo, en cuanto entran en contacto con gel, sudor o una solución de muestra, sus superficies se comportan de forma diferente. Un contacto de plata puede generar AgCl durante su uso; un contacto de oro puede permanecer químicamente estable, pero seguir presentando una impedancia de interfaz demasiado elevada para el registro.
En el caso del ECG, el EEG o el EMG, el movimiento de la piel puede introducir una señal más intensa que la que se está midiendo. En un sensor electroquímico, un potencial de referencia variable puede alterar la medición. La elección del electrodo depende, en primer lugar, de la función que vaya a desempeñar la superficie.
Los electrodos de registro húmedos utilizan gel u otro electrolito entre la piel y el contacto. Los electrodos secos prescinden de ese gel añadido, por lo que su ajuste y la presión que ejercen sobre la piel son especialmente importantes. Ninguna de estas configuraciones viene determinada únicamente por el metal. El oro puede utilizarse en un contacto húmedo, y el Ag/AgCl puede incorporarse a un diseño seco.
Los términos «pasivo» y «activo» describen otra distinción. Un electrodo activo cuenta con componentes electrónicos locales, como un búfer o un amplificador; un electrodo pasivo no los tiene. Una mayor superficie de contacto puede reducir la impedancia de interfaz, pero no convierte al electrodo en pasivo.
En un sensor electroquímico de tres electrodos, el electrodo de trabajo sustenta la reacción que se mide. La corriente fluye a través del contraelectrodo, mientras que el electrodo de referencia proporciona el potencial utilizado para controlar o interpretar la respuesta del electrodo de trabajo. Estas funciones deben determinarse antes de elegir el material expuesto.
Características de la interfaz electrolítica
La resistencia de una película metálica y la impedancia de un electrodo en uso son magnitudes diferentes. Aumentar el grosor de la pista de plata puede reducir su resistencia eléctrica sin resolver un mal contacto con la superficie. En la superficie expuesta, la carga debe pasar entre un medio iónico y un conductor electrónico.
El oro resulta útil para electrodos con patrones, ya que resiste muchas formas de corrosión y puede modificarse para ensayos específicos. Sin embargo, su superficie no es inactiva en todos los electrolitos ni a todos los potenciales aplicados. El material adsorbido y los cambios en el estado de la superficie pueden alterar la respuesta, por lo que la simple mención de «oro» no es suficiente para predecir el ruido o la impedancia.
La plata desnuda presenta un problema diferente desde el principio: la superficie puede cambiar tras entrar en contacto con el electrolito. El cloruro puede favorecer la formación de AgCl, lo que significa que una película de plata nueva y la misma película tras la inmersión pueden no comportarse de la misma manera. Una buena conductividad a través del metal no impide ese cambio.
Los electrodos Ag/AgCl utilizan una capa de cloruro de plata preparada sobre la plata. La reacción Ag/AgCl permite la transferencia de carga con una polarización relativamente baja en condiciones adecuadas. Esto hace que la superficie sea útil para el registro de biopotenciales, en el que el circuito intenta medir un voltaje pequeño sin alterarlo.
Las condiciones del cloruro siguen siendo importantes. Una referencia Ag/AgCl convencional mantiene un electrolito interno controlado y lo conecta a la muestra a través de una unión. Una película de Ag/AgCl expuesta que se utiliza como cuasi-referencia no cuenta con un depósito equivalente que la separe de los cambios en la muestra. Su potencial puede variar a medida que cambian esas condiciones.
Adhesión y estabilidad del recubrimiento
La flexión puede dañar una película que haya superado su primera comprobación eléctrica. Una grieta a lo largo de la pista puede interrumpir la señal; el desprendimiento en un borde puede exponer las capas subyacentes al líquido. Las pruebas realizadas en una muestra plana y sin usar pasarán por alto los daños que se producen al flexionar el electrodo.
En el caso de un blanco de pulverización de oro, la pureza es uno de los requisitos de la especificación de deposición. Si la película se despega, comprueba cómo se limpió el sustrato y cómo se depositó y se modeló el recubrimiento. Un blanco más puro no corregirá una superficie mal preparada.
Para obtener Ag/AgCl a partir de una película de plata, parte de la plata depositada se convierte en cloruro de plata. Debe quedar suficiente plata para que la corriente circule a través del electrodo. La capa convertida también debe revisarse: un recubrimiento irregular o mal adherido puede hacer que contactos nominalmente idénticos se comporten de forma diferente.
El pedido de un blanco de pulverización de plata no especifica esa etapa de conversión posterior. La formación de AgCl requiere sus propios registros y controles de proceso. Un certificado del blanco no puede describir el estado de la superficie convertida.
El medio de contacto previsto debe incluirse en dichos controles. Si el electrodo va a utilizar hidrogel, se debe incluir dicho gel en las pruebas en lugar de basarse únicamente en los resultados obtenidos con una solución salina. Un contacto en seco plantea otro problema: el sudor o un cambio de presión pueden alterar el registro sin dejar daños visibles en el recubrimiento.
Comparación de superficies de electrodos
| Superficie | Motivos habituales de uso | Qué hay que comprobar |
|---|---|---|
| Oro | Contactos estampados, películas resistentes a la corrosión y modificaciones superficiales específicas para cada ensayo | Polarización, impedancia en la banda de señal, adhesión y cambios en la superficie tras el uso |
| Plata desnuda | Capas conductoras y superficies de partida para la fabricación de Ag/AgCl | Reacción con el electrolito, cambios durante el almacenamiento y deriva del potencial |
| Ag/AgCl | Contactos de registro de biopotencial y electrodos de referencia construidos adecuadamente | Cobertura de AgCl, condiciones de cloruro, durabilidad de la capa y construcción de la referencia |
La impedancia, el ruido y la vida útil no pueden clasificarse basándose únicamente en estas denominaciones. Un parche de gel utilizado una sola vez y un contacto seco limpiado entre sesiones de registro exponen sus superficies a condiciones diferentes. Cada uno requiere una prueba que refleje cómo se va a utilizar.
Movimiento y uso repetido
Cuando un electrodo se mueve, el área de contacto y la presión pueden variar. Un cable que tira de un parche o un contacto seco que se desliza sobre la piel pueden producir una gran perturbación en la línea de base. Sustituir la plata por oro no lo eliminará necesariamente.
Conviene comprobar la fijación y el soporte del cable antes de culpar al recubrimiento. Un sustrato flexible puede adaptarse mejor a la piel, pero su película conductora debe resistir ese movimiento. El registro durante un movimiento controlado puede revelar problemas que permanecen ocultos en una prueba estática.
El uso repetido añade la limpieza y el almacenamiento a la secuencia. Pueden acumularse residuos, el recubrimiento puede desgastarse o un tratamiento de limpieza puede alterar la superficie expuesta. En el caso de un electrodo reutilizable, las mediciones realizadas únicamente antes de su primer uso dicen poco sobre su estado tras varias sesiones.
Los electrodos de Ag/AgCl requieren una atención especial si la limpieza o la abrasión eliminan parte de la capa de cloruro. Un contacto puede seguir pareciendo utilizable aunque su comportamiento eléctrico haya cambiado. Los recubrimientos de oro también pueden sufrir arañazos, contaminación o pérdida de adhesión; la resistencia a la corrosión no evita los daños mecánicos.
Comprobaciones de rendimiento de los electrodos
Un resultado de impedancia requiere una frecuencia. Un contacto adecuado para una banda de señal puede comportarse de forma diferente a frecuencias más bajas, donde los cambios lentos y la deriva de la línea de base cobran importancia. Indicar la magnitud y la fase en toda la banda prevista resulta más útil que citar un único valor bajo.
El área y las condiciones de ensayo deben figurar junto al resultado. Comparar un electrodo grande empapado en electrolito con un contacto pequeño y seco aporta poca información al equipo sobre los propios materiales. La preparación, el electrolito, la temperatura y el tiempo transcurrido desde la humectación deben mantenerse constantes cuando se pretenda realizar una comparación directa.
La deriva tarda tiempo en medirse. Registra la estabilización inicial y el cambio posterior durante un periodo relevante para la aplicación. En el caso de un electrodo de referencia, la comparación con una referencia adecuada ayuda a mostrar si el potencial del electrodo de ensayo está variando.
Las mediciones de ruido deben incluir toda la ruta de registro. Un contacto silencioso puede seguir produciendo una traza ruidosa debido a un blindaje deficiente o a interferencias en el cable. Las pruebas en el cuerpo añaden además el contacto con la piel y el movimiento, algo que una célula de ensayo no reproduce.
Las comprobaciones de producción requieren más de un electrodo que funcione correctamente. El muestreo de un lote puede revelar una deposición o cloruración desigual, mientras que las pruebas de uso repetido muestran si contactos inicialmente similares envejecen de forma diferente. Conservar los resultados junto con los registros del lote y del proceso facilita la investigación de cualquier cambio inesperado.
Especificación de materiales para el desarrollo de electrodos
En el caso de los blancos de pulverización catódica de Stanford Advanced Materials (SAM), las especificaciones de compra deben incluir el metal, la pureza, las dimensiones y cualquier requisito relativo al soporte o la unión. El plano del electrodo tiene una finalidad diferente: muestra el sustrato, el espesor del recubrimiento y el área expuesta a la superficie o a la muestra. Conservar ambos registros facilita la localización del origen de un problema de recubrimiento, ya sea en el material o en la fase de fabricación.
En el caso del Ag/AgCl, el plan de desarrollo también debe tener en cuenta la cloruración. ¿Quién se encargará de convertir la superficie de plata y qué comprobaciones se realizarán posteriormente? No se debe encargar plata desnuda partiendo del supuesto de que proporcionará un potencial de referencia estable sin necesidad de procesamiento adicional.
Durante las pruebas de prototipos, observe qué ocurre justo antes de que cambie la señal. Si al fijar el cable desaparece la perturbación, conviene examinar más detenidamente la fijación o la conexión. Si el potencial sigue variando mientras el electrodo permanece sin tocarse en el electrolito, investigue las condiciones de la superficie y de la solución. Esa distinción es más útil que una afirmación general de que un metal determinado produce el menor ruido.
Referencias
- Estudio del rendimiento electroquímico de electrodos flexibles de Ag/AgCl y Au para la monitorización discreta de biopotenciales humanos
- Caracterización de electrodos secos de Ag/AgCl para la detección electrofisiológica en dispositivos portátiles
- Matrices multielectrodos a nivel de oblea para aplicaciones en sensores miniaturizados: crecimiento electroquímico de electrodos de referencia de Ag/AgCl
- Estabilidad y colocación de contraelectrodos de cuasi-referencia de Ag/AgCl en celdas electroquímicas confinadas
